基于智能化控制的高校能源系統(tǒng)的設(shè)計與改造＊

酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 趙雅蕓

高校是大型公共機構(gòu)建筑的重要組成部分之一，其占地面積大、建筑物種類多、能源消耗量大。目前部分高校存在能源管理不到位、設(shè)備能耗高、能源浪費嚴(yán)重等現(xiàn)象，如何有效降低成本和提高效率，是高校建設(shè)節(jié)能環(huán)保型智慧校園中亟待解決的問題。為保證最佳管理效果，必須采用智能控制方式，以減少投資，提高人力資源管理的效率。依據(jù)《中華人民共和國節(jié)約能源法》等法律、法規(guī)規(guī)定，解決問題的關(guān)鍵在于樹立節(jié)能減排意識，提升高校能耗監(jiān)測與能源的管理水平，以實現(xiàn)能源的高效利用和管理的智能化。與“十四五”智慧能源中實現(xiàn)用能源需求的智能調(diào)控理念符合。本文針對高校供暖系統(tǒng)進行了設(shè)計與改造，以實現(xiàn)智能化節(jié)能目標(biāo)。

1 供暖系統(tǒng)的節(jié)能改造設(shè)計方案

1.1 學(xué)校供暖現(xiàn)狀分析

某高校供熱站采用2 臺水板式換熱器機組，熱功率為10.5MW，供暖面積約20 萬平米，供熱費用5611199.16元，由供熱站出分南北區(qū)進行供暖。經(jīng)過約12 個采暖季供暖運行，管網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重，換熱站每天漏水500 方，造成熱水浪費嚴(yán)重。在寒假和周末及夜晚模式下供暖，溫度控制不精確、熱力管網(wǎng)流量分配不均，造成末端部分樓宇溫度不達標(biāo)。采暖系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的大循環(huán)式供暖安裝，無法做到分時、分溫、分區(qū)精確控制。供暖末梢的管路氣阻現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致部分樓層或者房間不熱，供熱系統(tǒng)水力不平衡、偏流嚴(yán)重、供熱效率低、供暖系統(tǒng)分區(qū)不合理、熱效率低。學(xué)校供熱站采暖熱水系統(tǒng)是直供系統(tǒng)，每天漏水嚴(yán)重，通過樓宇底部加設(shè)電動調(diào)節(jié)兩通閥，控制系統(tǒng)流量達到節(jié)能目的，可是通過兩通閥調(diào)整流量使得末端溫控系統(tǒng)與換熱站水泵變頻流量不匹配造成管網(wǎng)系統(tǒng)流量過大或者過小，管道設(shè)備堵塞或者循環(huán)不暢，爆管嚴(yán)重，室外管網(wǎng)承受變化壓力壽命縮短，嚴(yán)重影響熱水循環(huán)效率，造成冷熱水不均衡。

高校校園的供暖存在供暖區(qū)域、時間或熱量的需求不同，例如辦公樓、教學(xué)樓、宿舍樓、實訓(xùn)樓等區(qū)域，這些區(qū)域的供暖時間段、供暖溫度都有差異，傳統(tǒng)的供暖方式一般由統(tǒng)一干管輸送或通過支路分開，該方式會出現(xiàn)冷熱不均、熱能損耗過大的問題。

1.2 學(xué)校供暖改造的技術(shù)方案

采用分區(qū)、分時、分溫供暖的智能控制技術(shù)可以有效解決以上問題。根據(jù)區(qū)域內(nèi)的實際情況和特殊要求或根據(jù)建筑物的用熱需求，合理支配用熱和供熱。針對供暖時間段、溫度要求不同、夜間或節(jié)假日期間無人的區(qū)域建筑或獨棟建筑，實施分時段和分溫度控制，既保證供暖效果，又合理降低能源損耗，以達到節(jié)能減排節(jié)省成本的目的。本方案采用的供暖智能控制技術(shù)可以實現(xiàn)氣候補償控制、樓宇現(xiàn)場控制、熱源綜合控制，適用于分區(qū)、分時、分溫供暖的校內(nèi)建筑，實現(xiàn)分時供暖與防凍切換控制，在供暖時段，出水溫度傳感器、供水溫度傳感器、室內(nèi)溫度傳感器實時采集教學(xué)樓、實訓(xùn)樓、宿舍等建筑物的入口水溫、回水溫度及室內(nèi)溫度，控制中心根據(jù)室外溫度及供暖需求，智能驅(qū)動與供暖區(qū)域相關(guān)聯(lián)的電動閥，通過檢測——反饋——調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證所需供暖區(qū)域室內(nèi)溫度達到設(shè)定溫度并保持相對穩(wěn)定。在夜間，對于需要采取防凍措施的校內(nèi)建筑物，只需采集回水溫度，控制中心依據(jù)設(shè)定程序控制電磁閥開度，使管道水流正常，防止管道凍結(jié)。變頻控制技術(shù)的使用，使控制變得更加智能和精確。采用上位機對數(shù)據(jù)采集模塊采集的各項數(shù)據(jù)進行分析計算，按預(yù)設(shè)程序?qū)π?nèi)建筑按需供暖，從而實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。所有供熱、采暖系統(tǒng)均采用電控設(shè)備，安裝對應(yīng)傳感器采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可以實時采集運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，方便進行在線智能化控制、監(jiān)測和管理。上位機可以存儲記錄各運行參數(shù)，通過經(jīng)驗總結(jié)和數(shù)據(jù)分析，修改調(diào)整最佳的狀態(tài)參考數(shù)據(jù)。設(shè)備維護管理根據(jù)設(shè)備使用周期進行智能提醒，從而改善設(shè)備附件的工作條件，在提高鍋爐機組的管理水平、增強系統(tǒng)的安全性和可靠性的同時使生產(chǎn)過程實現(xiàn)信息化管理，使供熱、采暖系統(tǒng)的運行、管理水平走向現(xiàn)代化，節(jié)能率能達到25%。

采用水力分壓器的模塊系統(tǒng)進行改造，系統(tǒng)分為一、二次水系統(tǒng)。鍋爐爐前泵循環(huán)為一次水系統(tǒng)，外網(wǎng)末端循環(huán)為二次水系統(tǒng)，一、二次系統(tǒng)用均壓罐進行耦合，以提高鍋爐的回水溫度，避免冷凝水的形成，同時可以防止雜物進入鍋爐內(nèi)部，確保鍋爐安全高效的運行。而且可以從均壓罐二次側(cè)分出多路供水管路，并通過數(shù)字電動三通閥控制水溫以滿足不同供水溫度的供應(yīng)，來適應(yīng)不同性質(zhì)的建筑采暖，即實現(xiàn)分區(qū)、分溫、分時供暖，如圖1 所示。

圖1 水力分壓器的模塊系統(tǒng)工作原理Fig.1 The working principle of the modular system of the hydraulic pressure divider

1.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

熱源設(shè)備均采用變頻輸出設(shè)備，系統(tǒng)供熱分區(qū)、分溫、分時技術(shù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)偏流，保證鍋爐安全和供暖節(jié)能效果，節(jié)能率在25%以上；鍋爐房配置智能控制室，采用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控各種主設(shè)備的運行，確保系統(tǒng)智能化高效運行，降低鍋爐房的運行費用，在安全、供熱效果、節(jié)能、環(huán)保、設(shè)備靜音效果等頗具優(yōu)勢；鍋爐房智能管理控制室，對供暖所有系統(tǒng)能耗狀態(tài)、故障報警、人員管理、對比分析區(qū)域能耗、集中監(jiān)控鍋爐房設(shè)備運行狀態(tài)等進行集中管理和操作。

1.4 結(jié)構(gòu)組成

智能化供暖系統(tǒng)控制中心主要由中央監(jiān)控中心和現(xiàn)場控制中心及數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)組成。現(xiàn)場控制中心主要有現(xiàn)場電氣設(shè)備、變頻器、各種傳感器、電動調(diào)節(jié)閥、組成，均采用電動控制設(shè)備和采集設(shè)備，為實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和智能化控制奠定了基礎(chǔ)。供暖節(jié)能系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 供暖節(jié)能系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of heating energy-saving system

電氣設(shè)備部分組成，各部分協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和智能化控制設(shè)計系統(tǒng)時從安全性、先進性、可靠性、高擴展性的角度考慮。中心機房的監(jiān)控管理運用通用型工控軟件和編程技術(shù)，運行在基于以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)和TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以選用力控組態(tài)軟件，功能比較強大，運行環(huán)境適應(yīng)廣泛且?guī)Ъ用苕i。智能化供暖控制系統(tǒng)組成如圖3 所示。

圖3 智能化供暖控制系統(tǒng)組成Fig.3 The composition of intelligent heating control system

1.5 智能控制系統(tǒng)工作原理

智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊實時采集溫度、壓力、流量等傳感器數(shù)據(jù)，通過通信模塊發(fā)送至上位機，上位機根據(jù)預(yù)設(shè)程序，發(fā)送控制指令至暖氣節(jié)能控制器，節(jié)能控制器控制電動閥的開度，調(diào)節(jié)進出水流量。如果室內(nèi)溫度低于預(yù)設(shè)溫度，控制器自動加大調(diào)節(jié)閥的開度使進水流量增大，室內(nèi)溫度升高；反之室內(nèi)溫度高于預(yù)設(shè)溫度，控制器自動減少開度，使進水量減少，室內(nèi)溫度降低。進而保證室內(nèi)溫度處于人體溫度舒適區(qū)間。同時壓力傳感器實時上報管道壓強，系統(tǒng)通過均衡控制，自動調(diào)節(jié)管道壓強，避免爆管事故。利用以太網(wǎng)把控制器信息傳輸至控制中心主機上，控制中心將顯示整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)情況，記錄并提示相關(guān)信息。如局部壓力過高、溫度異常等將發(fā)出警報，值班維護人員根據(jù)報警信息趕赴現(xiàn)場處理故障。

從鍋爐及制冷機組系統(tǒng)設(shè)計我們看到，除了選用性能及效率高的燃?xì)忮仩t，方便調(diào)控的均壓罐和數(shù)字電動兩通閥外，最重要的是讓這些設(shè)備合理精確運轉(zhuǎn)的智能控制系統(tǒng)。供熱系統(tǒng)及重要運行參數(shù)的歷史記錄、存儲、生產(chǎn)報表打印以及各運行負(fù)荷的統(tǒng)一調(diào)配具供暖節(jié)能系統(tǒng)除了選用性能及效率高的燃?xì)忮仩t、方便調(diào)控的均壓罐和數(shù)字電動兩通閥之外，核心是具有讓這些設(shè)備合理且精確運行的智能控制系統(tǒng)，結(jié)合燃?xì)鉄崴仩t的運行特點和校園內(nèi)分時段區(qū)域供暖的特性，通過上位監(jiān)控管理計算機完成對所有鍋爐、水泵、閥門及設(shè)備等的數(shù)據(jù)采集、處理與通訊，并完成所有供熱系統(tǒng)及重要運行參數(shù)的歷史記錄、存儲、生產(chǎn)報表打印和各運行負(fù)荷的統(tǒng)一調(diào)配。

1.6 主要實現(xiàn)的功能

（1）參數(shù)檢測，了解工況。溫度、壓力、流量等傳感器通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時傳遞至數(shù)據(jù)采集模塊，采集模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳至控制中心，運行人員就可以全面了解供熱運行情況，為溫度、流量調(diào)節(jié)控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）均勻調(diào)節(jié)流量，消除冷熱不均，合理匹配工況，保證按需供熱。根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采集傳感器檢測的供水流量、進水溫度、回水溫度、室內(nèi)溫度以及室外溫度，監(jiān)控系統(tǒng)控制電動閥自動調(diào)節(jié)閥開度，做到區(qū)域分配均勻，消除各建筑物同時供暖冷熱不均現(xiàn)象。通過控制程序匹配參數(shù)，達到對供暖網(wǎng)絡(luò)和鍋爐熱度的自動控制。

（3）實時診斷故障，保障運行安全。智能化供暖系統(tǒng)控制中心管理系統(tǒng)與鍋爐房控制系統(tǒng)通信，當(dāng)發(fā)生故障時，檢測系統(tǒng)將在中央監(jiān)控中心屏幕顯示故障信息，提示故障類型和故障范圍。現(xiàn)場會以聲光形式（故障點亮起紅燈，蜂鳴器發(fā)出提示聲響）提示報警，同時，維修檢測人員在移動終端收到故障提示信息，檢測維修人員趕赴現(xiàn)場進行故障確認(rèn)，對發(fā)生故障的設(shè)備進行恢復(fù)和處理。同時報警信息形成報警日志進行存儲，技術(shù)人員可進行故障信息檢索，后期便于事故分析。

1.7 技術(shù)性能特點

替代了人工操作，減少了人工成本，更好的管理供暖管網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了能源利用的智能化。能夠設(shè)置人工控制、自動運行兩種模式，且具有顯示、監(jiān)測、修正功能，能根據(jù)設(shè)定要求實現(xiàn)自動化運行及參數(shù)的調(diào)整及修正。能夠合理節(jié)約能源，減少寒暑假、節(jié)假日、夜間無人值守時校內(nèi)建筑物的供熱能源消耗。控制方式靈活，既可實現(xiàn)就地控制又可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。具備故障報警及故障分析功能。

2 節(jié)能改造的價值與意義

2.1 項目意義

通過對某高校供暖系統(tǒng)的節(jié)能改造，大幅度降低學(xué)校在此類項目上的管理、維修、維護等壓力，以便更好高效地完成服務(wù)工作。通過節(jié)能改造，不僅可以將原來用于能源費用、人工、維護管理支出等的費用用于更重要的項目上，而且可以提升學(xué)校的辦學(xué)條件，還可以提升師生的學(xué)習(xí)、工作環(huán)境和生活質(zhì)量。

2.2 項目價值

2.2.1 項目的經(jīng)濟價值

節(jié)能改造之后為學(xué)校每年節(jié)能耗費用數(shù)十至數(shù)百萬元，同時通過智能監(jiān)測及控制可以免除學(xué)校在供暖系統(tǒng)等方面的相關(guān)人員工資、項目管理維護費等多項支出，每年可以節(jié)省資金達數(shù)百萬元。

2.2.2 項目的社會價值

通過合理的使用機制和智能管理措施，提高了能源的利用率；同時節(jié)能改造也可以改善學(xué)校以及周邊的環(huán)境，體現(xiàn)學(xué)校在低碳經(jīng)濟時代的社會責(zé)任；另外可以為學(xué)生創(chuàng)造勤儉節(jié)約、公平公正的校園氛圍，以培養(yǎng)學(xué)生良好的個人素質(zhì)，也為其他院校提供了寶貴的項目改造經(jīng)驗。

3 總結(jié)

本文以某高校能源供應(yīng)系統(tǒng)現(xiàn)狀為著力點，指出了社會主義生態(tài)文明視域下的節(jié)能環(huán)保型校園的建設(shè)方案，方案遵循可持續(xù)發(fā)展、綠色生態(tài)、統(tǒng)籌兼顧的原則，將生態(tài)文明、綠色環(huán)保、節(jié)能降耗融入校園生活，以創(chuàng)造優(yōu)美的校園環(huán)境，同時倡導(dǎo)細(xì)致化、智能化管理模式，努力優(yōu)化綠色環(huán)保低耗的校園文化氛圍，建設(shè)智慧型綠色、低碳校園。

引用

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